費敬銀

西北工業大學 （710072）

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摘要：

采用雙電解池測氫法可研究刷鍍液在形成鍍層過程中的滲氫行為。通過考察施工參數對滲氫曲線特征參數影響的規律，可以判斷影響滲氫程度的關鍵參數。在利用恒應變慢拉伸試驗（SSRT）法考察不同電刷鍍樣的氫脆特性，并用掃描電子顯微鏡（SEM）對斷口的微觀形貌進行表征，可優化出合適的電刷鍍工藝。論文作者及合作者分別研究了FJY系列電刷鍍溶液中的鋅-鎳合金、鋅-鈷合金、其它種類的鋅基合金、以及FJY無氰電刷鍍鎘、高耐蝕鎘-鎳合金等鍍液的的滲氫行為，獲得了可用于高強度結構件表面防腐的不同種類的FJY系列低氫脆刷鍍體系。

關鍵詞：氫脆 FJY刷鍍液 鋅－鎳合金 鋅-鈷合金 低氫脆鎘 鎘-鎳合金 刷鍍氫脆 滲氫 氫脆敏感性 滲氫曲線 低氫脆刷鍍

1. 前言

為了研制出耐蝕性比鋅鍍層高的無毒或低毒代防腐鍍層，自20世紀80年代起，以鋅作為主要組成元素的鋅基合金、以及對鎳鍍層進行改性的鎳基合金（如鎳-鎘合金）等刷鍍工藝及其耐蝕性的研究方興未艾。多數研究結果表明，鋅－鎳合金鍍層的耐蝕性是鋅鍍層的6-10倍。而鎳-鎘合金鍍層抗鹽霧腐蝕能力甚至超過3000小時（中性鹽霧腐蝕試驗）。

但是，在電刷鍍過程中，陰極（工件）上不僅發生金屬離子的還原（形成鍍層），還會發生H＋的還原（析出氫氣，或形成吸附氫原子），由于氫原子很小，很容易滲入金屬內部并使材料具有氫脆傾向。到目前為之，很少有人研究過刷鍍過程中的滲氫行為及被鍍工件的氫脆敏感性問題。

本文介紹利用雙電解池滲氫研究方法、恒應變慢拉伸試驗方法，以及端口形貌分析法，評價電刷鍍過程中，刷鍍液、工藝參數是如何影響工件氫脆行為的研究、測試方法，供有興趣這參考。

2. 試驗方法

2.1 滲氫測試裝置

下圖是滲氫測量裝置示意圖。圖中電解池Ⅰ用于裝載待測鍍液（如鋅-鎳合金、鎘-鎳合金 或中性鎘鍍液等），利用直流穩壓電源在試樣的左表面上電沉積鍍層。在電解池Ⅰ中進行的電鍍過程中，通過調整可變電阻R使流經刷鍍液的電流為給定值。總電流的一部分電流用于形成鍍層，另一部分電流用于將氫離子在研究電極表面上還原成吸附氫原子（H＋＋e＝H）。這些吸附于陰極表面的氫原子，一部分復合成氫分子（H2）從陰極表面上析出，另一部分在濃度梯度的作用下向試樣的另一側擴散。擴散速度與表面吸附氫原子的濃度、試樣材質、溫度等因素有關。電解池Ⅱ為滲氫電流測量電解池，在電解池Ⅱ中，利用恒電位儀對試樣進行陽極極化，恰當控制研究電極（W）與參比電極（R）之間的電位差，確保擴散到試樣右表面（氧化面）上的氫原子完全氧化成氫離子（H→H＋＋e）。根據法拉第定律可知：陽極氧化電流的大小與氫在試樣中的擴散速度有嚴格的對應關系。在試驗研究過程中，用記錄儀記錄下研究電極（W）與輔助電極（A）之間的電流隨時間的變化關系，即可得到滲氫電流與時間關系的曲線。根據擴散第一、第二定律所確定的微分方程以及由試驗條件確定的邊界條件，通過拉普拉斯變換求出微分方程的解，即可得到與氫滲透特性相關的參數。

這里僅介紹刷鍍液滲氫行為研究方法，詳細的數學處理過程可參閱相關文獻、或費敬銀等發表的學術論文。

2.2 氫脆特性評估

用恒應變慢拉伸試驗法（SSRT）測試不同刷鍍刷鍍條件下所刷鍍樣的斷裂時間，并將其與空白樣進行對照，評價刷鍍液的氫脆敏感性。

先將試樣加工成如下圖所示的缺口試樣，然后按研究方案刷鍍確定厚度的鍍層，在拉伸試驗機上對鍍后試樣進行恒應變拉伸試驗，應變速率為2×10-6·S-1。記錄下空白樣、刷鍍試樣發生斷裂時間。及時用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷裂樣的斷口形貌。

3. 試驗結果分析

3.1 滲氫電流曲線特征

下圖給出一個代表性的滲氫電流-時間曲線圖（鍍液pH值對滲氫行為的影響）。根據曲線的特征，可將其分為三個階段：1) 從開始電沉積鎘鍍層的瞬間到滲氫電流突然迅速增大的期間內，滲氫電流一直很小。這是因為電鍍時間較短，電鍍過程中所產生的氫原子還未來得及擴散到試樣的另一側（氧化面），因此檢測不到氫原子的氧化電流（H→H＋＋e）；2) 一旦檢測到氫原子的氧化電流，電流值隨時間的增加而迅速增加，達到最大值后開始下降。這是因為隨著電沉積時間的增加，擴散到氧化面的氫原子越來越多，因此檢測到的滲氫電流也越來越大；3) 當滲氫電流達到最大值后，隨著電沉積時間的延長，滲氫電流有所下降，但下降的速度較慢。這是因為電沉積時間越長，鍍層越厚，較厚的鍍層對氫原子的滲透有阻礙作用，因此滲氫電流在達到最大值后便開始下降。

3.2 SSRT斷裂時間

采用恒應變慢拉伸試驗法（SSRT）對鍍后試樣、空白樣進行拉伸試驗，根據試樣發生斷裂時間（hr）的長短、斷裂伸長率的大小確定試樣的氫脆程度。

3.3 斷口形貌分析

通過對斷口的宏觀形貌進行了觀察、比較，可以判斷試樣斷裂是呈現韌性斷裂、或脆性斷裂特性。

一般情況下，如果測試條件恰當，氫脆斷裂具有脆性斷裂特征：下圖分別是韌斷的空白試樣、吹斷的氫脆試樣端口形貌。

4. 總結

FJY電刷鍍技術工作室曾利用雙電解池滲氫研究方法、恒應變慢拉伸試驗方法，以及端口形貌分析法，針對FJY耐腐蝕刷鍍液的電刷鍍氫脆行為進行過評價。采用優化出的刷鍍液和刷鍍工藝對高強度結構件進行表面防腐刷鍍，可有效降低被鍍件的氫脆敏感性。

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